功率變革：將GaN集成到SMPS中

（本文編譯自Electronic Design）

硅是電子領域極具價值的材料。生長高純度體硅，并通過摻雜實現p型與n型半導體特性的能力，是電力電子行業發展的巨大推動力，催生出低成本、高性能的開關器件。如今，幾乎所有帶電池或電源插頭的設備中，都能見到這類器件的身影。

因此，設計人員在硅基電路設計方面積累了極其豐富的經驗。長期以來，這種對硅材料的熟悉度，助力行業不斷突破硅基技術的極限。

然而，盡管硅在各類應用中表現出色，但其特定的材料特性在速度、功率密度和溫度范圍上形成了限制，而這三個參數，對最新的開關模式電源（SMPS）而言至關重要。而行業對于替代技術的迫切需求，讓碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）逐漸成為被關注的焦點。

SiC在電子領域的應用歷史十分悠久，早期它主要被用于發光二極管（LED）。近年來，憑借其耐高溫、耐高壓的特性，SiC開始作為電源中的功率級組件使用，目前市場上已出現耐壓值遠超1000伏的開關器件與二極管。

在電力應用中，另一項可替代或增強硅基電路的技術便是GaN。GaN已廣泛應用于消費級快充器和電源適配器，如今其在電動汽車（EV）車載充電器（OBC）、直流 - 直流（DC-DC）轉換器等領域的重要性也日益提升，這些場景需要安全、穩定地處理數千瓦的瞬時功率。此外，GaN還有潛力緩解數據中心中人工智能（AI）帶來的部分功率挑戰，未來有望融入服務器機架的電源供應單元（PSU）中。

如今，GaN在這類開關模式電源中的應用越來越廣泛。對于有意采用這項相對較新的技術的電路設計人員而言，不僅需要理解其優勢與挑戰，更需積累更多實際應用經驗。

GaN的功率處理特性

2012年，GaN首次作為功率開關器件應用于開關模式電源（SMPS），替代硅FET。這些原型pGaN HEMT，展現出比標準硅FET器件更高的功率轉換效率。

GaN功率技術過去面臨的主要難題——如今依然存在——是降低成本。生長大尺寸單晶以制造可承載大量GaN功率器件的大尺寸、高質量晶圓，至今仍是一項挑戰。

不過，攻克這些挑戰的努力是值得的。在功率轉換領域，GaN相比硅擁有一系列顯著優勢。GaN功率器件的核心優勢在于：在給定電流和電壓額定值下，其漏極電容和柵極電容更低。此外，GaN開關的物理尺寸小于硅器件，能夠實現更緊湊的解決方案。

GaN的材料特性使其具備高擊穿電壓，這在工作電壓為100伏及以上的應用中極具價值。而在100伏以下的場景中，GaN的功率密度與快速開關能力同樣能帶來優勢，例如在設計各類電源時，可實現更高的功率轉換效率。

GaN屬于寬帶隙（WBG）半導體，其帶隙電壓為3.4電子伏特（eV），而硅的帶隙電壓僅為1.1電eV。不過，在電源設計中，不同性能參數的重要性有所差異。一個典型的應用場景是400伏中間總線應用，例如在240伏交流（AC）功率轉換器中，需使用擊穿電壓為650伏、漏源極電流約30安的FET。在此類系統中，若使用硅FET，所需柵極電荷為93納庫侖（nC）；而使用GaN FET時，柵極電荷僅需9納庫侖（nC）。采用這類GaN開關的應用，其工作功率水平通常在1kW至8kW之間。

使用柵極電容較小的GaN器件，可大幅縮短開關轉換時間并降低開關損耗。最終，這將提升功率轉換效率，尤其在開關頻率較高、磁性元件尺寸較小的應用中，效果更為顯著。

在SMPS中使用GaN的獨特挑戰

用GaN功率器件替代硅MOSFET時，會面臨若干挑戰。這些挑戰主要涉及柵極驅動要求、開關過程中電壓的快速變化，以及死區時間內的高導通損耗。

首先，GaN開關的柵極電壓額定值通常低于硅FET。大多數GaN器件制造商建議的典型柵極驅動電壓為5V。與此同時，GaN器件的絕對最大額定柵極電壓常為6V，這意味著推薦柵極驅動電壓與臨界閾值（超過該閾值會損壞器件）之間的余量非常小。這一限制，再加上GaN器件柵極電荷極小的特點，要求驅動級必須嚴格限制最大柵極驅動電壓，以防損壞GaN器件。

其次，必須應對電源開關節點處電壓的快速變化（也稱為du/dt）。這些瞬態電壓可能導致下橋臂開關誤導通。GaN器件的柵極尺寸相對較小，因此，周邊區域（如開關節點）的任何快速電壓變化，都可能通過電容耦合到GaN開關的小尺寸柵極上，使其誤開啟。要更好地控制導通與關斷曲線，需要單獨的上拉引腳和下拉引腳，以及精心設計的PCB布局。

最后，GaN FET在死區時間內會產生更高的導通損耗。死區時間指的是橋臂結構中高、下橋臂開關均處于關斷狀態的時間段。設置死區時間是為了防止高側電壓軌與地之間發生短路。在死區時間內，下橋臂開關的體二極管通常會有電流流過，而這正是導通損耗產生的原因。

解決該問題的一種方法是嚴格縮短死區時間，但在此過程中，必須避免高、下橋臂開關出現導通重疊時間，否則會導致對地短路。

此外，值得一提的是，GaN具有更寬的轉換范圍。其更快的電壓上升時間和下降時間，能實現比硅MOSFET更小的占空比。

從硅MOSFET到GaN功率器件的過渡

多年來，硅一直是功率轉換行業的核心支柱。如今，電源設計人員已可選用GaN開關器件，隨之而來的問題是：“GaN器件能否直接替換硅MOSFET，還是需要圍繞其重新設計功率級？”

與硅MOSFET不同，GaN開關沒有體二極管，它通過另一種機制實現類似功能。GaN器件的導通僅涉及多數載流子，因此反向恢復電荷（Qrr）為零。但與硅MOSFET不同，GaN FET不存在體二極管的正向電壓，這會導致GaN FET兩端的電壓可能變得非常高。因此，其在死區時間內的功率損耗會顯著增加。這就是為何與使用硅開關相比，使用GaN開關時縮短死區時間至關重要的原因。

在SMPS的死區時間內，功率設計會大量依賴硅MOSFET的體二極管。在降壓調節器的下橋臂開關中，電流通過體二極管流動，為電感器所需的連續電流提供通路。若下橋臂開關沒有體二極管，死區時間內的每一瞬間都會導致降壓調節器的開關節點電壓降至負無窮。顯然，在電壓達到負無窮之前，電路就會因電壓超出開關的額定值而損耗能量，最終損壞。

當使用GaN開關時，若源極與柵極處于相同電位，且存在電感器這類連續電流源，GaN FET會出現反向導通。

由于GaN開關不包含PN結體二極管，下橋臂開關需在其周圍設置一條備用電流通路，以確保死區時間內有電流流動。

反向導通時，受GaN功率FET對稱性的影響，漏極與源極的極性會反轉。柵極保持接地電位，但開關節點會自偏置至GaN FET的最小導通閾值電壓。這一低電壓是GaN FET導通所需的最小閾值（通常為地電位-2V至地電位-3V）。由于柵源電壓（VGS）未處于優化狀態，反向導通時的導通電阻（RON）會增大。而外部肖特基二極管則提供了一條備用通路，可避免GaN FET進入反向導通狀態。

使用GaN開關時，電路需做的第二項修改是在二極管上串聯一個電阻。該電阻用于從內部電源電壓（INTVCC）為電路的上橋臂驅動器提供電壓，同時也可能用于限制上橋臂驅動器的峰值電流。

最后，可能需要齊納二極管來防止上橋臂驅動器電源電壓出現過高的電壓尖峰。

如何為GaN選擇開關控制器與柵極驅動IC

要規避SMPS中GaN基功率級保護功能的嚴苛評估流程，一種方法是采用專為GaN設計的電源控制器IC。選擇專用控制器能讓GaN電源設計更簡便、更可靠。此類控制器已針對性解決了前文提及的所有挑戰。

這類開關控制器還具備靈活性，能夠適配當前市場上不同類型的GaN開關。GaN功率技術的研發與創新之路仍在延續，未來的GaN開關雖會帶來更出色的性能，但與目前已廣泛應用的GaN開關相比，其使用方式可能需要略作調整。

盡管GaN技術在制造FET器件并將其應用于先進功率級方面表現出色，但GaN未必適用于SMPS的控制電路，其成本效益也不足以支撐這一應用。因此，在可預見的未來，我們將看到一種混合方案。

控制器將以硅為基礎，配備高度優化的控制與驅動電路，用于驅動高功率GaN開關。這種方案目前在技術上已可行，且成本具有競爭力。但它需要在單個電路中使用多個芯片，具體有兩種實現方式：一是將GaN開關單獨設置；二是在完全集成的功率轉換器IC或微模塊（μModule）電源解決方案中集成多個芯片，這類微模塊電源還會整合包括電感器在內的多個無源元件。

如前所述，生長大尺寸、高質量的GaN晶圓仍是一項挑戰。自2010年前后起，GaN制造領域的主流選擇是“硅基HEMT”，原因在于這種方案能實現更大的晶圓直徑，且可利用現有的硅加工基礎設施，降低成本。

該方案早期面臨的技術難題已得到解決，但仍需數年時間進行進一步研發。與硅和SiC采用體單晶生長不同，GaN器件是通過在硅晶圓上進行GaN外延生長制成的。而“金剛石基GaN”技術，是未來制造GaN開關的一種潛在方案。

GaN功率技術的未來展望

如今，GaN的發展已達到成熟階段，可用于設計多款SMPS。但隨著每一代新型GaN開關的推出，該技術仍將持續迭代升級。

目前，GaN技術正朝著更廣泛應用的方向穩步推進。盡管如今的GaN開關本身已具備較高的穩定性，但顯然，要讓工程師們全面認可其可靠性，仍需更多時間與研發投入。同時，GaN開關的制造工藝也將進一步優化，良率提升與缺陷密度降低將推動其成本下降、可靠性提高。

未來，預計會涌現更多專用GaN驅動器件以及開關控制器，這些器件將簡化GaN基SMPS的實現過程。

當前，GaN器件最常見的電壓額定值為100V和650V，這也是首批GaN電源的工作電壓集中在該范圍的原因。但GaN具有的獨特特性,尤其是其極小的柵極電荷，使其同樣可向低壓領域拓展應用。

未來，我們還將看到GaN應用于最高電壓低至40V的電源中；而在高壓端，GaN開關的電壓等級或可提升至1000V。在此類高壓場景下，GaN的快速開關特性將成為其核心競爭優勢。

用于拓展電源工作范圍與功率密度的半導體材料將持續發展。硅是這一切的起點，如今仍是電力電子行業的核心；但在未來10至15年內，GaN將扮演愈發重要的角色。從電動汽車（EV）到人工智能（AI）數據中心，所有領域都對功率、密度、穩定性與效率提出了更高要求，而GaN為滿足這些創新需求提供了更多可能性。